測量海水深度的光纖布拉格光柵( FBG) 壓力傳感器

為滿足海洋溫深剖面連續(xù)拖曳測量的要求，測量海水深度的光纖布拉格光柵( FBG) 壓力傳感器是利用 FBG 溫補傳感器來解決交叉敏感問題。由于二者對溫度響應(yīng)時間不一致，導致在中尺度旋渦、鋒面等溫度驟變海域測試海水壓力時有所偏差。針對這一現(xiàn)象，設(shè)計出了一種新型的雙光纖光柵壓力傳感器，通過在壓力傳感器的中心和邊緣各封裝溫補和壓力光纖光柵( 邊緣光柵不接觸彈性膜片，僅受溫度影響) ，使其對溫度響應(yīng)特性接近一致。實驗測試結(jié)果表明: 傳感器的溫補和壓力光纖光柵對溫度響應(yīng)時間分別是 1.45 s 和1.52s，響應(yīng)一致性好。通過海試驗證，F(xiàn)BG 壓力傳感器與參考壓力傳感器 ALEC—TD 的相關(guān)系數(shù)高達 0.9906，基本消除溫度響應(yīng)不一致導致的測量誤差，能夠達到準確測量壓力的目的。

海水溫深是海洋環(huán)境監(jiān)測中重要的參數(shù)獲取該參數(shù)常受環(huán)境因素變化的影響，要想獲得海水中各種冷水團及中尺度旋渦的溫深剖面信息，傳統(tǒng)使用的投棄式溫度剖面測 量 儀 XBT，由 于 其 傳 感 探 頭 存 在 漏 水 漏 電 的 風險，深度數(shù)據(jù)也容易受海底浪流和溫度變化的影響，計算誤差較大。而船載拖曳式光纖光柵傳感器具有抗干擾能力強、靈敏度高、體積小、本征絕緣及連續(xù)測量和多傳感分布式測量等優(yōu)點，能夠準確、細致刻畫冷水團及中尺度旋渦的溫深剖面信息，適合在海洋環(huán)境中的應(yīng)用。

北黃海區(qū)域進行了光纖布拉格光柵( fiber Bragg fiber，F(xiàn)BG) 壓力和溫度傳感器拖曳試驗研究，并完成 FBG 壓力傳感器和參考壓力傳感器亞力克( ALEC) 的比對測試。通過數(shù)據(jù)的擬合處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn): 當在中尺度旋渦、鋒面等溫度驟變海域溫度突然發(fā)生變化時，F(xiàn)BG 壓力傳感器與參考壓力傳感器 ALEC 的測量偏差會立即增大，而當溫度變化不明顯時，卻無上述現(xiàn)象。分析原因是由于 FBG 壓力傳感器和 FBG 溫度傳感器對溫度的響應(yīng)時間不一致，導致 FBG 壓力傳感器測量誤差的產(chǎn)生。

針對傳感器對溫度響應(yīng)不一致的問題，本文主要從3 個方面進行研究:

1) 設(shè)計出一種新型的雙光纖光柵壓力傳感器，把溫補和壓力光纖光柵平行封裝在傳感器邊緣和中心位置，使它們受到溫度影響一致;

2) 將封裝好的傳感器進行溫度和壓力靈敏度標定，便于確定傳感器溫度補償后的壓力系數(shù);

3) 在實驗室內(nèi)對傳感器進行溫度響應(yīng)時間測試，并通過海試驗證，使其與參考壓力傳感器 ALEC 進行比測，來驗證其溫度響應(yīng)是否一致。

傳感器的設(shè)計和封裝

為了滿足高靈敏度、耐水壓和響應(yīng)特性等相關(guān)要求，新型雙 FBG 壓力傳感器采用膜片式的結(jié)構(gòu)增敏技術(shù)。相比傳統(tǒng)封裝方法，存在穩(wěn)定性欠佳、不適合動態(tài)測量、高溫容易老化及不易串接等缺點］，膜片式封裝在大量程和高靈敏度實現(xiàn)上有著良好效果，可以用于動態(tài)拖曳測量。雙FBG 壓力傳感器上采用金屬化處理后的光纖光柵，利用激光焊接將它們并行焊接在膜片中心位置和邊緣位置上( 溫補光纖光柵不接觸膜片，只焊接在基座上) 。

光纖光柵傳感器示意與實物

理論計算經(jīng)過特殊的封裝，F(xiàn)BG 壓力傳感器的熱光系數(shù)并沒有發(fā)生變化，其熱膨脹導致應(yīng)力發(fā)生了變化。封裝之后溫度和波長的關(guān)系為ΔλB= λB［α + ξ + ( 1 － Pe) ( αsub－ α) ］ΔT ( 1)

而 FBG 壓力傳感器將水壓變化量轉(zhuǎn)換為 FBG 軸向應(yīng)變，通過檢測相應(yīng)的波長變化，還原海水壓強信號的信息。

FBG 諧振波長的改變與光纖軸向應(yīng)變 εf的關(guān)系為［11］Δλ = ( 1 － Pe) λBεf( 2)

式中 λB為諧振波長，Pe為光纖的彈光系數(shù)。

假設(shè)不破壞其中熱平衡，膜片式圓筒封裝的傳感器其管壁的溫度分布均勻，溫度對時間的微分方程為［10］d Tdt=ΓA( Tf－ T)Vcpρ( 3)

式中 Tf為環(huán)境溫度，T 為金屬管壁溫度，Γ 為水與金屬表面的換熱系數(shù)，A 為金屬膜片管的表面積，ρ，cp，V 分別為金屬外殼管的密度、比熱容和體積。

3 實驗測試

3． 1 傳感器溫度測試

FBG 傳感器實驗裝置為確定 FBG 壓力傳感器對溫度的敏感程度，對封裝好的傳感器進行溫度靈敏度標定。標定是在恒溫水浴槽內(nèi)進行，通過選用 SBE56 來作為參考溫度傳感器。在 2 ～ 35 ℃區(qū)間上選擇 8 個溫度點，并確定每個溫度點上的穩(wěn)定時間不低于 1 h，取各個穩(wěn)定溫度點 2 min 的平均數(shù)，來確定溫度和波長變化的對應(yīng)關(guān)系，通過用 Origin 數(shù)據(jù)處理軟件的二次擬合得到圖 3，其雙 FBG 壓力傳感器的溫補和壓力光纖光柵溫度靈敏度分別為 29． 11，28． 80 pm/℃ ，擬合線性度Ｒ2均為 0． 999 99。

溫度—波長二次擬合曲線

3． 2 傳感器壓力測試

3． 2． 1 傳感器溫補光纖光柵耐壓測試為了驗證傳感器溫補光纖光柵的中心波長是否受到外界壓力的影響，在實驗室對傳感器進行壓力標定測試。實驗中，使用壓力罐進行壓力標定，SBE56 溫度傳感器作為參考溫度，共選取 9 個壓力點分別進行加壓和減壓測試，壓力范圍 0 ～ 0． 8 MPa，每次升高 0． 1 MPa。

可以看出: 去掉溫度變化的影響后，傳感器的溫補光纖光柵在 0 ～ 0． 8 MPa 的壓力范圍內(nèi)，其中心波長僅漂移了0． 01 pm，而溫補傳感光纖光柵不在膜片上，是由于參考傳感器 SBE56 的測量誤差才造成的，確定溫補光纖光柵不受外界壓力的影響。對 2 只傳感器的溫度補償光纖進行耐壓測試。

傳感器壓力標定測試由于傳感器的壓力和溫補光纖光柵都并行封裝在傳感器上，在不受壓力的情況下，它們的中心波長受溫度影響變壓力傳感器中溫度補償光纖光柵的耐壓測試化量是一致的。因此，當受外界壓力時，傳感器可以通過自身的溫補光纖光柵中心波長變化量，來對壓力光纖光柵進行溫度補償。

為了確定壓力傳感器靈敏度，即所測壓力值與溫補過的壓力光纖光柵中心波長的對應(yīng)關(guān)系，需要進行壓力標定測試，加壓過程和上述一樣。通過 Origin 數(shù)據(jù)處理軟件擬合表明: 靈敏度達 959． 017 pm/MPa，其線性擬合度 Ｒ2為 0． 999 9，重復性好，適用于較高海水壓力測量。

FBG 壓力傳感器的波長—壓力二次擬合曲線一般用于海洋測試的 FBG 壓力傳感器，1 MPa 對應(yīng)海水深度大約為 100 m。當 FBG 壓力傳感器沒有進行溫度補償時，其 環(huán) 境 溫 度 每 變 化 1℃ ，其 自 身 波 長 漂 移 量 為28． 80 pm，F(xiàn)BG 壓力傳感器靈敏度為 959 pm / MPa，相應(yīng)壓力變化為 0． 030 MPa，深度誤差可達到 3． 0 m。因此，在壓力測量過程中，為減小測量誤差，對 FBG 壓力傳感器進行實時準確溫度補償是極其必要的，解決響應(yīng)時間不一致問題則是本文主要研究目的。

傳感器溫度響應(yīng)時間測試將 FBG 壓力及其溫補傳感器從冷水槽迅速移至高溫水浴槽，通過溫度解調(diào)儀來實時監(jiān)測其溫度變化量。根據(jù)溫度傳感器動態(tài)響應(yīng)校準的方法，響應(yīng)時間即達到穩(wěn)定溫度所需時間的 63． 2 % 。如圖 6 所示，傳感器的溫補光纖的響應(yīng)時間為 1． 45 s，而壓力光纖的響應(yīng)時間為 1． 52 s，它們之間響應(yīng)時間差為 0． 07 s，基本接近一致。表明: 新設(shè)計的雙光纖光柵壓力傳感器的溫度響應(yīng)特性良好，基本消除了傳感器響應(yīng)不一致而帶來傳感器測量誤差的影響。

海試驗證在 2017 年 7 月，在黃海海域進行拖曳實驗后，通過Original數(shù)據(jù)處理軟件得到圖 7，傳感器的溫補光纖光柵和壓力光纖光柵對溫度響應(yīng)時間一致，即使在溫度突然變化圖 6 FBG 壓力傳感器溫度響應(yīng)時間情況下，也能實時準確為 FBG 壓力傳感器進行溫度補償，溫度響應(yīng)不一致帶來測量誤差影響已經(jīng)基本消除，傳感器和 ALEC 之間相關(guān)性系數(shù)高達 0． 990 6。

FBG 壓力傳感器和 ALEC 的數(shù)據(jù)曲線

本文針對 FBG 壓力及其溫補傳感器的溫度響應(yīng)不一致問題進行了研究。通過新設(shè)計封裝的雙光纖光柵壓力傳感器，使溫度響應(yīng)時間接近一致。先對傳感器進行溫度和壓力靈敏度進行標定，確定傳感器溫度補償后的壓力系數(shù)。

經(jīng)過響應(yīng)時間測試，傳感器的溫補光纖光柵和壓力光纖光柵對溫度響應(yīng)時間分別為 1． 45 s 和 1． 52 s。通過海試驗證，傳感器對溫度動態(tài)響應(yīng)特性良好，基本消除壓力傳感器的應(yīng)變—溫度交叉敏感問題所帶來影響。滿足海洋溫深剖面測量的要求，對于海洋環(huán)境的研究有著重要意義。